Expresión genética

4.- a) ¿Qué es la transcripción? Indique y explique brevemente sus etapas. (5)
SOL. La transcripción es el primer proceso de la expresión génica, mediante el cual se transfiere la información contenida en la secuencia del ADN hacia la secuencia de ARNm, manteniéndose de esta forma la información de la secuencia del ADN.

Elementos que intervienen en la transcripción:

-   Una cadena de ADN que actúa como molde.

-   Ribonucleótidos.

-   Un enzima: la ARN polimerasa.

Para este proceso se requieren una serie de elementos que intervienen a lo largo de cuatro etapas diferentes:

1.      Iniciación: la ARN polimerasa se une a una zona del ADN. A continuación, se corta la hebra de ADN y se separan las dos cadenas. Para asegurar que el enzima ARNp II transcriba determinados genes en el momento preciso y a una velocidad adecuada, en los genes eucariotas existen tres clases de secuencias reguladoras (el promotor, las secuencias potenciadoras y las silenciadoras) que se activan mediante una compleja maquinaria proteica formada por diversos factores de transcripción.

2.      Elongación: la ARNp recorre la hebra molde en sentido 3´→5´, mientas que la cadena de ARN se va formado en sentido 5´→3´ (antiparalela) conforme se adicionan ribonucleótidos. Cuando se han transcrito unos 20 ó 30 nucleótidos del gen, se añade al extremos 5´del ARNm en formación un resto de metil guanosina trifosfato. Esta especie de “caperuza” protege al ARNm del ataque de las nucleasas y evita su inmediata degradación en el núcleo. Además, esta “caperuza” es reconocida por los ribosomas como lugar de inicio de la traducción.

3.    Terminación: el ARN polimerasa continúa añadiendo ribonucleótidos hasta que se encuentra con la señal de terminación TTATTT. Inmediatamente después de finalizar la transcripción actúa otro enzima, la poli-A polimerasa, que adiciona en el extremo 3´del ARNm una “cola” de poli A formada por unos 150 ó 200 ribonucleótidos de adenina, la cual interviene en el proceso de maduración y en el transporte del ARNm fuera del núcleo, además de ayudar a que el ARN no sea destruido por las nucleasas celulares.

4.      Maduración: se da en el núcleo y la realiza la enzima ribonucleoproteína pequeña nuclear (RNPpn). Lo que hace es eliminar los intrones del ARN, quedando los exones libres para ser unidos por una ARN-ligasa.

* El proceso que acabamos de describir es para eucariotas. No obstante la síntesis de ARN en procariotas es un proceso muy similar al que acabamos de describir en eucariotas. Las principales diferencias son: la existencia de varias ARN polimerasas en eucariotas y una única polimerasa en procariotas. Y sobre todo, la necesidad de que se produzca una maduración en eucriotas, un procesamiento de algunos ARNs debido a la existencia de los intrones, cosa que en procariotas no ocurre ya que no existen los intrones.

b) Transcriba la siguiente secuencia de ADN (2) 5’- GCCGTATGCCCA TAG-3’

SOL. 3´- CGGCAUACGGGU AUC- 5´

c) ¿Qué nombre reciben las secuencias de inicio a las que se une la ARN polimerasa? (1) SOL.

1. El promotor: región más próxima al inicio de la transcripción formada por la secuencia -30 TATA, conocida por TATA box, junto con la secuencia -80 CAAT y la secuencia -120, rica en bases GC. Los factores proteicos que se unen con el promotor se denominan factores basales y ayudan al ARNp II a situarse correctamente en el sitio de iniciación del gen.

2. Las secuencias potenciadoras (enhacers): situadas mucho más lejos, entre -200 y -10000, y a ellas se unen los factores activadores de la transcripción, que cumplen dos funciones: desempaquetar el nucleosoma y facilitar el acoplamiento de los factores basales con el ARNp II, incrementándose la velocidad con la que se sintetiza el ARNm.

3. Las secuencias silenciadoras (silencers): se encuentran intercaladas entre las potenciadoras y a ellas se unen los factores represores, que impiden la actuación de los factores activadores y disminuyen la velocidad de la transcripción.

4.- Responda sobre la traducción:

a) ¿Cuál es la función de estos elementos en dicho proceso?: Ribosoma, ARNm, ARNt, anticodón, sitio peptídico. (5) SOL.

o   Ribosoma: orgánulo lector del ARN mensajero, con órdenes de ensamblar los aminoácidos que formarán la proteína. Son orgánulos sintetizadores de proteínas.

o   ARNm: transporta la información genética (copiada del ADN)desde el núcleo hasta los ribosomas para que se sinteticen las proteínas. Cada ARNm contiene la información necesaria para la síntesis de una proteína determinada, ya que existe una correspondencia lineal entre la secuencia de bases del ARNm y la secuencia de aminoácidos de la proteína que se forma.

o   ARNt: su función consiste en llevar los aminoácidos específicos al ribosoma, en el orden correcto en que deben unirse para formar una proteína determinada, según la información genética. En él se une a la secuencia complementaria del ARNm, mediante el anticodón. A la vez, transfiere el aminoácido correspondiente a la secuencia de aminoácidos que está formándose en el ribosoma.

o   Anticodón: zona más importante del ARNt porque gracias a ella se une a un aminoácido específico, según la secuencia de cada codón del ARNm. El anticodón es una secuencia de tres bases complementaria de un codón o triplete de bases de un ARNm. Según cual sea el codón, entrará al proceso de traducción un ARNt u otro diferente.

o   Sitio peptídico: lugar por el que quedan unidos los aminoácidos que se van añadiendo a la cadena polipeptídica en el seno del ribosoma durante el proceso de elongación en la traducción. Este proceso es catalizado por el enzima peptidil transferasa.

b) ¿Cuáles son las fases de dicho proceso? (3)

SOL. La traducción es el proceso de síntesis de proteínas llevado a cabo en los ribosomas, a partir de la información aportada por el ARN mensajero que es, a su vez, una copia de un gen. Este proceso se produce en diferentes fases que podemos resumir de la siguiente manera:

0.      Activación de los aminoácidos.

Cada ARNt busca a su aminoácido específico según el triplete de su anticodón y se une a él.

1.      Iniciación de la síntesis de la cadena peptídica.

El ARNm llega hasta el ribosoma que está separado en sus dos subunidades y se une a la subunidad mayor; a continuación se une la subunidad menor. En los ribosomas existen dos lugares en los que pueden caber transferentes, el llamado LUGAR P (= peptidil) y el LUGAR A (= aminoacil). El ARNm se une de tal forma que el primer codón se coloca en el lugar P. Este primer codón siempre es el mismo en todos los ARNm (salvo en algunas mitocondrias), es el AUG leído desde el extremo 5', que codifica para el aminoácido Metionina, con el que se inician todos los procesos de traducción celular. A continuación llega hasta ese lugar P un ARNt con el aminoácido Metionina, y al lugar A llega otro ARNt con el siguiente aminoácido que corresponda, según las bases del segundo triplete. En ese momento una enzima une ambos aminoácidos mediante un enlace peptídico y todo el complejo se desplaza un lugar hacia el primer codón, de tal manera que ahora el dipéptido se coloca en el lugar  P (peptidil) y queda libre el lugar A (aminoacil).

2.      Elongación de la cadena peptídica.

Al quedar libre el lugar aminoacil se acerca un nuevo ARNt, según la secuencia de su anticodón, trayendo un  nuevo aminoácido, volviendo a  crearse un enlace  peptídico gracias a la acción de la enzima peptidil transferasa y repitiéndose el desplazamiento del complejo. Estos procesos se repiten siempre que el codón que aparece en el lugar A tenga sentido.

3.      Terminación de la síntesis de la cadena peptídica.

En un momento determinado puede aparecer en el lugar A uno de los codones sin sentido o de terminación, con lo que no entrará ningún nuevo ARNt y el péptido estará acabado, desprendiéndose del anterior ARNt y liberándose al citoplasma al tiempo que los ribosomas quedan preparados para iniciar una nueva traducción.

4.      Maduración postraduccional.

Una vez finalizada la traducción, la mayor parte de los péptidos deben sufrir diferentes tipos de modificaciones hasta convertirse en proteínas maduras y funcionalmente activas. Entre las modificaciones más habituales se encuentran las siguientes:

-   Cortes proteolíticos que acortan el péptido: separación de la secuencia señal, pérdida de la metionina inicial, eliminación de un péptido intermedio, etc.

-   Formación de puentes disulfuro y de otras uniones físico-químicas que permiten el plegamiento correcto de las cadenas peptídicas y su asociación con otras cadenas para formar estructuras cuaternarias y complejos multienzimáticos.

-   Adición de grupos prostéticos: cadenas glucídicas, lipídicas, grupos hemo, etc.

-   Modificación covalente de ciertos aminoácidos: fosforilaciones, acetilaciones, metilaciones, hidroxilaciones, etc.

c) ¿Todas las proteínas recién sintetizadas en eucariotas poseen metionina en su extremo N-terminal? Razone la respuesta. (2)

SOL. En principio, sí que es cierto que todas las proteínas de las células eucariotas recién sintetizadas, comienzan por el aminoácido metionina; esto es debido a que el codón de iniciación, que será el primer codón que lee el ribosoma en las células eucariotas, es AUG, por lo que el primer. aminoacil-ARNt que llega al sitio A será aquel cuyo anticodón es UAC, es decir, será el ARNt-metionina. Posteriormente, en muchos casos este primer aminoácido se elimina, por lo que no siempre el primer aminoácido de las proteínas eucariotas es la metionina.

3.- Con relación a la replicación y expresión del material genético:

a) Indique cuatro diferencias entre el proceso replicativo de procariotas y eucariotas (1 punto). SOL.

PROCARIOTAS	EUCARIOTAS
No es necesario ese desempaquetamiento tan complejo antes de la replicación al tener ADN desnudo y menos replegado.	El proceso previo al inicio de la replicación requiere el desempaquetamiento de estructuras espaciales más complejas.
Como no presenta histonas sólo se duplica el ADN.	Además de replicarse el ADN, deben duplicarse también las histonas.
Se han identificado tres ADN polimerasas diferentes.	Más tipos de polimerasas diferentes: a, b , d, e, g.
Presentan un único punto de inicio de la replicación (ori C).	Presentan cientos de puntos de inicio de la replicación.
No tiene actividad telomerasa ya que el ADN es circular y no presenta problemas en la finalización de la síntesis.	Al ser el ADN lineal se acorta el extremo de las hebras en cada ciclo de replicación al eliminarse el ARN cebador terminal y actúa la telomerasa fabricando los fragmentos que faltan.
Los fragmentos de Okazaki presentan entre 1000 y 2000 nucleótidos.	Los fragmentos de Okazaki son menores en extensión, entre 100 y 200 nucleótidos.
Velocidad de replicación mayor.	Velocidad de replicación menor (hasta 50 veces).

* La replicación del genoma eucariota y procariota transcurre de un modo similar: es semiconservativa y bidireccional; la hebra conductora se sintetiza de manera continua y la retardada, de forma discontinua, en forma de fragmentos de Okazaki que luego se unen. Además, en ambas ocasiones se requiere de un ARN cebador para que los ADN polimerasas inicien el proceso.

b) Defina qué son los intrones y los exones (0,5 puntos).

SOL. Los ARNm de eucariotas contienen secuencias de bases que codifican para la síntesis de proteínas (exones) intercaladas con otras secuencias que no contienen información para la síntesis de proteínas (intrones). Es decir, la información genética aparece fragmentada, por lo que se requiere de un proceso de maduración antes de convertirse en ARNm funcionales.

* Aunque puede parecer que los intrones no sirven para nada ya que son desechados en este proceso, esto no es cierto ya que en muchas ocasiones contienen importantes señales reguladoras del gen. Por otra parte, su existencia permite que los genes sean modulares y se puedan combinar los exones de diversas maneras produciendo proteínas diferentes con un mismo gen. Por último, esta modularidad ha sido un factor muy importante en la evolución de los genes. c) Indique las funciones de las siguientes enzimas que participan en la replicación del ADN: helicasa y topoisomerasa. (2) SOL. Helicasa: facilitan el desenrollamiento de la doble hélice, que se abre como una cremallera. ¿Cómo? Rompiendo los puentes de hidrógeno que unen las bases nitrogenadas. Topoisomerasa: eliminan las tensiones generadas por la torsión de las dos hebras al desenrollarse. Cumple su función rompiendo ciertos sectores de la cadena, para que esta no tenga un exceso de tensión y además para deshacer los nudos ocasionados durante la replicación. Se ayudan de otras enzimas conocidas como girasas.

d) Explique razonadamente si el ADN de una célula del páncreas y del hígado de un individuo contienen la misma información genética (0,5 puntos).

SOL. Los organismos unicelulares se caracterizan porque todas sus actividades vitales son desarrolladas por una única célula. Sin embargo, los organismos pluricelulares están formados por un conjunto de células originadas por la proliferación de una célula inicial, cigoto o célula huevo. Todas las células resultantes tienen la misma información genética, pero sufren un proceso de diferenciación celular que da lugar a distintos tipos celulares. 

La diferenciación celular es el proceso por el que una célula se especializa, adquiriendo capacidad de desarrollar ciertas funciones y dejando de desarrollar otras. Una célula especializada o diferenciada generalmente no puede dar lugar a otros tipos celulares, mientras que una célula no diferenciada, que se denomina pluripotente, puede dar lugar a muchos tipos celulares. Las “células madre” son un ejemplo de este último tipo, mientras que por ejemplo, las neuronas son de las células más diferenciadas que se conocen.

La diferenciación celular se desarrolla fundamentalmente gracias a cambios controlados en el programa transcripcional; es decir, cambios coordinados en la expresión génica. Estos cambios se producen como consecuencia de la acción de complejas redes de regulación transcripcional. Además, la diferenciación se fija a nivel epigenético. Es decir, las proteínas sobre las que se empaqueta el ADN (histonas y otras) sufren modificaciones químicas que hacen que determinados genes dejen de expresarse de forma permanente en determinada célula (es decir, hasta su muerte), otros puedan continuar expresándose, y otros comiencen a expresarse. 

Luego es correcto decir que todas las células reciben la misma información de una célula madre. No obstante, dicha información no siempre es expresada por la célula hija. 

4.- En relación al material genético y su metabolismo:

a) Indique qué es el código genético y explique qué quiere decir que está degenerado.

SOL. El código genético es la clave que establece las correspondencias entre nucleótidos y aminoácidos, lo que permite traducir el idioma de los genes al de las proteínas. Se ha llegado además a la conclusión de que los aminoácidos están codificados por palabras de tres letras, que reciben el nombre de tripletes o codones. De esta manera se completó el código genético (en total hay 64 tripletes) que en resumen, establece la correspondencia entre los tripletes de bases del ARNm (codones) y los aminoácidos.

Que el código genético está degenerado significa que, puesto que existen 61 codones que codifican 20 aminoácidos (los otros tres son señales de stop), algún aminoácido debe estar codificado por dos o más tripletes distintos, es decir, hay codones sinónimos que significan lo mismo.

b) Defina el proceso de transcripción e indique sus etapas.

SOL. Pregunta anterior.

c) Indique qué son los fragmentos de Okazaki y qué enzima se encarga de su síntesis.

SOL. Durante la replicación del ADN, el enzima ADNp III debe resolver dos problemas. Uno de ellos es que sólo sabe leer las secuencias de la hebra molde en el sentido 3´→5´. La otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5´→3´no puede ser leída directamente. ¿Cómo se copia entonces?

Este problema se soluciona mediante la síntesis de pequeños fragmentos de ADN (llamados fragmentos de Okazaki) que crecen en el sentido 5´→3´ y que, más tarde, se unen para formar la otra réplica, que recibe el nombre de hebra retardada.

Los fragmentos se sintetizan por el ADNp III pero para todo el proceso actúan además ARN cebador, ADNp I y ADN ligasa. Proceso:

1.  Cada fragmento comienza cuando un ARNp, llamado primasa, fabrica una corta cadena de ARN cebador.

2.    Esta cadena es alargada por el ADNp III, que sintetiza un pequeño trozo de ADN hasta completar un fragmento de Okazaki.

3.      Más tarde actúa el ADNp I, cuya actividad exonucleasa elimina el ARN cebador de cada fragmento. El hueco que queda es rellenado por el ADNp I, que sustituye el ARN cebador por ADN, con una secuencia complementaria a la del molde.

4.   Por último, interviene un enzima ADN ligasa para unir los diferentes fragmentos hasta formar la hebra retardada.

d) Señale las modificaciones durante la maduración de un transcrito primario de mRNA de eucariotas.

SOL. Los ARNm de eucariotas contienen secuencias de bases que codifican para la síntesis de proteínas (exones) intercaladas con otras secuencias que no contienen información para la síntesis de proteínas (intrones). Es decir, la información genética aparece fragmentada, por lo que se requiere de un proceso de maduración antes de convertirse en ARNm funcionales.

La supresión de intrones, que se da en el núcleo, supone cortes entre los intrones y los exones, de manera que las secuencias intrónicas se enrollan en forma de lazos y se eliminan. Mientras, las secuencias exónicas se empalman y forman una molécula de ARNm funcional que se exporta al citoplasma y contiene todos los nucleótidos necesarios para la síntesis de la cadena proteica correspondiente.

e) Escriba la secuencia de ARNm a partir de la siguiente secuencia de ADN e indique cuál es el número máximo de aminoácidos que puede codificar y explíquelo razonadamente:

3’- CCATTGGGCCACCAGGAT-5’

SOL. GGUAACCCGCUGGUCCUA

Tenemos una secuencia de 18 nucleótidos. Como cada aminoácido está codificado por tres nucleótidos (tripletes o codones) el número máximo que podría codificarse es de 6 aminoácidos.

4.- En relación con la información genética y sus alteraciones:

a) Si un polipéptido tiene 110 aminoácidos, indica cuántos nucleótidos tendrá el fragmento del ARNm que codifica a esos aminoácidos. Razone la respuesta. (1)

SOL. Como cada aminoácido está codificado por tres nucleótidos (tripletes o codones) el número mínimo de nucleótidos será 110x3=330 nucleótidos.

b) ¿Qué significa que el código genético está degenerado? (1)

SOL. Respondido en otra pregunta.

c) En un fragmento de ADN que codifica a un polipéptido se produce una mutación puntual, que afecta a un par de bases. Cuando la célula sintetice el polipéptido, a éste le podría haber ocurrido uno de los hechos siguientes:

Basándote en tus conocimientos del código genético, explica por qué puede darse cada uno de estos resultados. (8)

1. Que se codifique el mismo aminoácido que el sintetizado antes de la mutación.

SOL. La mutación ha codificado un triplete por otro que codifica el mismo aminoácido.

2. Que un aminoácido sea sustituido por otro.

SOL. Las dos bases cambiadas modifican el triplete, por lo tanto se codifica un aminoácido diferente y la cadena polipeptídica también será diferente.

3. Que el nuevo polipéptido sintetizado sea más corto.

SOL. Se cambia un triplete con sentido por otro de parada o final de lectura. Las dos bases cambiadas han dado lugar a un triplete mudo y por tanto la síntesis de la cadena polipeptídica finaliza en ese punto.

4. Que el nuevo polipéptido sintetizado sea más largo.

SOL. Se cambia un triplete sin sentido por otro con sentido. Las bases sustituidas lo han sido en el triplete mudo, que deja de serlo, con lo cual se permite la continuación de la síntesis de la cadena.